(57)【要約】【課題】改質器の負荷変動時において改質ガス中のＣＯ濃度を低く維持することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】原燃料を改質して水素リッチなガスを生成する改質器２３と、水素リッチなガスに含まれる一酸化炭素を酸化反応により低減させるＣＯ選択酸化器２７と、一酸化炭素の酸化反応に適する温度に調整する熱交換器２６と、燃料電池１０と、を備えた燃料電池システム１Ａにおいて、改質器２３に導入する原燃料を加熱する燃焼器２２を備え、ブロア３１から、燃焼器２２に供給する前の空気を冷媒として熱交換器２６に導入する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を改質して水素リッチなガスを生成する改質器と、
前記水素リッチなガスに含まれる一酸化炭素を酸化反応により低減させるＣＯ選択酸化器と、
一酸化炭素の酸化反応に適する温度に調整する温度調整部と、
燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記改質器に導入する原燃料を加熱する加熱器を備え、
前記加熱器に供給する前の空気を前記温度調整部に冷媒として導入することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
原燃料を改質して水素リッチなガスを生成する改質器と、
前記水素リッチなガスに含まれる一酸化炭素を酸化反応により低減させるＣＯ選択酸化器と、
一酸化炭素の酸化反応に適する温度に調整する温度調整部と、
燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを冷媒として前記温度調整部に弁を介して導入することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
原燃料を改質して水素リッチなガスを生成する改質器と、
前記水素リッチなガスに含まれる一酸化炭素を酸化反応により低減させるＣＯ選択酸化器と、
一酸化炭素の酸化反応に適する温度に調整する温度調整部と、
燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記改質器に導入する原燃料を加熱する加熱器を備え、
前記加熱器に供給する前の空気と前記燃料電池から排出される燃料オフガスとを混合した混合ガスを冷媒として前記温度調整部に導入することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記改質器は、オートサーマル方式であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ＣＯ選択酸化器を複数備え、
前記温度調整部は、それぞれのＣＯ選択酸化器の前に設けられることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記弁は、前記温度調整部に導入される冷媒の流量を調整する流量調整弁であり、
前記ＣＯ選択酸化器に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出手段と、
前記流量調整弁を制御する制御部と、を備え、
前記温度検出手段により検出された温度に応じて前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項２，４，５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記弁は、前記温度調整部に導入される冷媒の流量を調整する流量調整弁であり、
前記温度調整部に冷媒を導入する冷媒導入流路と、
前記温度調整部をバイパスして下流に流すバイパス流路と、
前記ＣＯ選択酸化器に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出手段と、
前記流量調整弁を制御する制御部と、を備え、
前記温度検出手段により検出された温度に応じて前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項２，４，５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記温度調整部に導入される冷媒の流量を調整する流量調整弁と、
前記ＣＯ選択酸化器に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出手段と、
前記流量調整弁を制御する制御部と、を備え、
前記温度検出手段により検出された温度に応じて前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項１，３，４，５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記温度調整部に冷媒を導入する冷媒導入流路と、
前記冷媒導入流路に導入される冷媒の流量を調整する流量調整弁と、
前記温度調整部をバイパスして下流に流すバイパス流路と、
前記ＣＯ選択酸化器に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出手段と、
前記流量調整弁を制御する制御部と、を備え、
前記温度検出手段により検出された温度に応じて前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項１，３，４，５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素系燃料を水素リッチなガスに改質して燃料電池に燃料ガスとして供給する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
改質利用の燃料電池システムでは、例えば、ガソリンやメタノールなどの炭化水素を含む原燃料を改質器で水素リッチなガスに改質し、この水素リッチなガス（燃料ガス）を燃料電池の燃料ガスとして供給することが行われている。ところで、このような改質利用の燃料電池システムでは、水素リッチなガス中に、副反応により生成された一酸化炭素（ＣＯ）が含まれており、燃料電池に供給される燃料ガス中のＣＯ濃度が高いと、燃料電池のアノードがＣＯ被毒され、燃料電池の出力低下などの悪影響を与える問題がある。
【０００３】
そこで、このような燃料電池システムでは、改質器の下流側に、改質ガス中のＣＯ濃度を燃料電池に投入できるレベルまで低減するＣＯ選択酸化器を設ける技術が提案されている。このＣＯ選択酸化器には、改質ガス中のＣＯを選択的に酸化する触媒が設けられており、この触媒が活性化する温度領域にガス温度を維持するための温度コントロール手法が燃料電池システムに備えられている。温度コントロール手法としては、例えば、熱交換器を使用し、熱交換器に冷媒として改質原料水を用いることが多く行われている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２５２８７７号公報（段落００２２、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、改質原料水でＣＯ選択酸化器の改質ガスの温度をコントロールしようとする場合、定常運転時には問題ないが、改質器の負荷変動時に改質ガスの温度がＣＯ選択酸化器の触媒活性領域から外れてしまい易く、改質ガス中のＣＯ濃度が上昇してしまう課題があった。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、改質器の負荷変動時において改質ガス中のＣＯ濃度を低く維持することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、原燃料を改質して水素リッチなガスを生成する改質器と、前記水素リッチなガスに含まれる一酸化炭素を酸化反応により低減させるＣＯ選択酸化器と、一酸化炭素の酸化反応に適する温度に調整する温度調整部と、燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記改質器に導入する原燃料を加熱する加熱器を備え、前記加熱器に供給する前の空気を前記温度調整部に冷媒として導入することを特徴とする。
【０００８】
これによれば、ＣＯ選択酸化器に導入される改質ガス（水素リッチなガス）を冷却する冷媒として、加熱器に供給する前の空気（酸化剤ガス、燃焼用空気）を用いることにより、改質器の負荷変動に対して追従性よくＣＯ選択酸化器に導入される改質ガスの温度をコントロールできるようになり、改質ガスのＣＯ濃度を常に低く保つことができる。
【０００９】
さらに、ＣＯ選択酸化器の上流側の熱交換器で熱を回収できるので、回収した熱を下流の加熱器に導入して、原燃料の昇温に利用できる。よって、燃料電池システムの燃料オフガス（改質ガス）の利用効率が向上して、システム全体の効率を上げることができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、原燃料を改質して水素リッチなガスを生成する改質器と、前記水素リッチなガスに含まれる一酸化炭素を酸化反応により低減させるＣＯ選択酸化器と、一酸化炭素の酸化反応に適する温度に調整する温度調整部と、燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを冷媒として前記温度調整部に流量調整弁を介して導入することを特徴とする。
【００１１】
これによれば、ＣＯ選択酸化器に導入される改質ガス（水素リッチなガス）を冷却する冷媒として、燃料電池から排出される燃料オフガスを用いることにより、改質器の負荷変動に対して追従性よくＣＯ選択酸化器に導入される改質ガスの温度をコントロールできるようになり、改質ガスのＣＯ濃度を常に低く保つことが可能になる。
【００１２】
つまり、従来の改質原料水を用いて冷却する手法では、改質器の負荷変動に合わせて改質原料水の流量を変動させる必要がある一方で、改質原料水でコントロールしようとする改質ガスは時間的な遅れを伴って流量が変動し、冷却される改質ガスにとって、ＣＯ選択酸化器の温度を適性に維持するには、冷媒である改質原料水が多すぎたり少なすぎたりしてしまう。換言すると、改質ガスの流量が変動する前に、変動後の改質ガスの流量に応じた改質原料水（冷媒）によってこれからＣＯ選択酸化器を通る改質ガスの温度コントロールが行われるからである。
【００１３】
請求項３に係る発明は、原燃料を改質して水素リッチなガスを生成する改質器と、前記水素リッチなガスに含まれる一酸化炭素を酸化反応により低減させるＣＯ選択酸化器と、一酸化炭素の酸化反応に適する温度に調整する温度調整部と、燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記改質器に導入する原燃料を加熱する加熱器を備え、前記加熱器に供給する前の空気と前記燃料電池から排出される燃料オフガスとを混合した混合ガスを冷媒として前記温度調整部に導入することを特徴とする。
【００１４】
これによれば、先に空気と燃料オフガスとを混合することで、温度調整部に多くの冷媒を流すことが可能になるので、温度調整部で取り除きたい（回収可能な）熱量が多い場合に適している。
【００１５】
請求項４に係る発明は、前記改質器は、オートサーマル方式であることを特徴とする。
【００１６】
これによれば、熱を無駄に使うことなく安定的に改質を行うことが可能になる。オートサーマル方式とは、水素濃度の高い水素リッチなガス（改質ガス）を生成する水蒸気改質反応（吸熱反応）と、この水蒸気改質反応に必要な熱量を賄うための部分酸化反応（発熱反応）とを同時に行う方式である。
【００１７】
請求項５に係る発明は、前記ＣＯ選択酸化器を複数備え、前記温度調整部は、それぞれのＣＯ選択酸化器の前に設けられていることを特徴とする。
【００１８】
これによれば、改質ガス量が多い燃料電池システムに好適なものであり、前段のＣＯ選択酸化器で取り除ききれなかったＣＯ（一酸化炭素）を、次段のＣＯ選択酸化器で取り除くことができ、ＣＯ濃度を低く保つことができる。
【００１９】
請求項６に係る発明は、前記弁は、前記温度調整部に導入される冷媒の流量を調整する流量調整弁であり、前記ＣＯ選択酸化器に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記流量調整弁を制御する制御部と、を備え、前記温度検出手段により検出された温度に応じて前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする。
【００２０】
これによれば、温度検出手段によって検出されたガス（水素リッチなガス、改質ガス）の温度に基づいて流量調整弁を制御することにより、ＣＯ選択酸化器に供給されるガスの温度を適切に制御することができる。
【００２１】
請求項７に係る発明は、前記弁は、前記温度調整部に導入される冷媒の流量を調整する流量調整弁であり、前記温度調整部に冷媒を導入する冷媒導入流路と、前記温度調整部をバイパスして下流に流すバイパス流路と、前記ＣＯ選択酸化器に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記流量調整弁を制御する制御部と、を備え、前記温度検出手段により検出された温度に応じて前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする。
【００２２】
これによれば、温度検出手段によって検出されたガス（水素リッチなガス、改質ガス）の温度に基づいて流量調整弁を制御することで、バイパス流路に流れる冷媒の流量を調整して、温度調整部に流れる冷媒の流量を適切に制御することができる。
【００２３】
請求項８に係る発明は、前記温度調整部に導入される冷媒の流量を調整する流量調整弁と、前記ＣＯ選択酸化器に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記流量調整弁を制御する制御部と、を備え、前記温度検出手段により検出された温度に応じて前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする。
【００２４】
これによれば、温度検出手段によって検出されたガス（水素リッチなガス、改質ガス）の温度に基づいて流量調整弁を制御することにより、ＣＯ選択酸化器に供給されるガスの温度を適切に制御することができる。
【００２５】
請求項９に係る発明は、前記温度調整部に冷媒を導入する冷媒導入流路と、前記冷媒導入流路に導入される冷媒の流量を調整する流量調整弁と、前記温度調整部をバイパスして下流に流すバイパス流路と、前記ＣＯ選択酸化器に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記流量調整弁を制御する制御部と、を備え、前記温度検出手段により検出された温度に応じて前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする。
【００２６】
これによれば、温度検出手段によって検出されたガス（水素リッチなガス、改質ガス）の温度に基づいて流量調整弁を制御することで、バイパス流路に流れる冷媒の流量を調整して、温度調整部に流れる冷媒の流量を適切に制御することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、改質器の負荷変動時において改質ガス中のＣＯ濃度を低く維持することができる燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図３】第３実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明に係る実施形態について図１ないし図３を参照して説明する。なお、本実施形態の燃料電池システム１Ａ〜１Ｃは、例えば、家庭用や業務用などの定置式の燃料電池システムに適用してもよいし、自動車、船舶、航空機などの乗物用の燃料電池システムに適用してもよい。
【００３０】
（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａは、燃料電池１０、蒸発器２１、燃料器２２（加熱器）、改質器２３、熱交換器２４、ＣＯ変成器２５、熱交換器２６（温度調整部）、ＣＯ選択酸化器２７、ブロア３１、流量調整弁３２，３３、制御部１００、温度センサ１０１（温度検出手段）などで構成されている。
【００３１】
燃料電池１０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、ＭＥＡ（膜電極接合体）を一対の導電性のセパレータで挟んで構成した単セルを複数積層した構造を有している。ＭＥＡは、固体高分子からなる電解質膜を、触媒（白金など）を含むアノードおよびカソードで挟んで構成したものである。アノードに対向するセパレータには、水素（燃料ガス、水素リッチなガス、改質ガス）が通流する流路が形成され、カソードに対向するセパレータには、酸素を含む空気（酸化剤ガス）が通流する流路が形成されている。
【００３２】
このような燃料電池１０では、アノードに供給される水素と、カソードに供給される空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電が行われる。例えば、家庭用の燃料電池システムでは、燃料電池１０によって発電された電力が家庭内の電気機器用として利用され、燃料電池１０の発電時に発生した熱が暖房用や給湯用として利用される。
【００３３】
蒸発器２１は、原燃料供給装置（図示せず）から供給された原燃料および水を、改質用空気とともに後記する燃焼器２２で加熱して原料ガス（水蒸気混合燃料）を生成する。なお、原燃料とは、天然ガス、プロパン、ＬＰＧ、灯油、バイオエタノール、メタノール、ガソリンなどの炭化水素系燃料である。また、改質用空気は、図示しないエアコンプレッサから供給される。
【００３４】
燃焼器２２は、例えば、内部に触媒燃焼部（図示せず）を備えており、燃料電池１０から排出される水素オフガス（燃料オフガス）と、後記するブロア３１から供給される空気（酸化剤ガス、燃焼用空気）とが触媒燃焼部に導入されて触媒燃焼され、このときに発生する排熱で、蒸発器２１に導入される原燃料および水を気化させて原燃料ガスにするとともに、改質用空気を加熱する。原燃料ガスと改質用空気は混合されて原料ガス（水蒸気混合燃料）となって蒸発器２１から、配管ａ１、熱交換器２４、配管ａ２を介して改質器２３に供給される。
【００３５】
改質器２３は、ハニカム担体に改質触媒を担持して構成されており、この改質触媒の触媒作用により改質器２３内で、部分酸化反応と水蒸気改質反応とが行われ、その結果、原料ガスが水素リッチなガス（以下、改質ガスとする）に改質される。なお、この改質ガスには、副反応により生じたＣＯ（一酸化炭素）が数％程度含まれている。
【００３６】
熱交換器２４は、改質器２３から排出される改質ガスと、蒸発器２１から導入される原料ガスとの間で熱交換が行われる。すなわち、改質器２３から排出される改質ガスは極めて高温であるため、熱交換器２４において蒸発器２１から供給される原料ガスと熱交換されることによって所定の温度に冷却された後に配管ａ４を介してＣＯ変成器（シフタともいう）２５に供給される。
【００３７】
ところで、改質器２３から排出される改質ガスはＣＯを含んでおり、それをそのまま燃料電池１０のアノードに供給すると、アノードの触媒がＣＯ被毒して燃料電池１０に悪影響を及ぼす場合があるので、ＣＯ変成器２５によりＣＯを除去する。ＣＯ変成器２５は、例えばハニカム担体に白金系のＣＯ変成触媒を担持させて構成されており、このＣＯ変成触媒の作用によりＣＯ変成器２５の内部で以下の（１）式に示すような変成反応が行われ、改質ガス中の多くのＣＯが水素と二酸化炭素に変成される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋Ｈ２・・・（１）
【００３８】
ＣＯ変成器２５によってＣＯが除去された改質ガスは、配管ａ５を介して熱交換器２６に供給される。この熱交換器２６は、ＣＯ変成器２５から排出される改質ガスと、後記する冷媒との間で熱交換が行われ、ＣＯ選択酸化器２７に供給される改質ガスの温度を調整する。熱交換器２６で熱交換された改質ガスは、配管ａ６を介してＣＯ選択酸化器２７に供給される。
【００３９】
ＣＯ選択酸化器２７は、例えばハニカム担体にＣＯを選択酸化する白金系のＣＯ除去触媒を備えて構成されており、ＣＯ選択酸化器２７には、図示しない供給ラインからＣＯ酸化用空気が供給される。ＣＯ選択酸化器２７では、ＣＯ除去触媒の触媒作用により、以下の（２）式に示すような酸化反応が行われ、改質ガス中に微量に残留するＣＯがＣＯ２（二酸化炭素）に酸化される。
ＣＯ＋１／２Ｏ２  →  ＣＯ２＋Ｈ２・・・（２）
【００４０】
ＣＯ選択酸化器２７から排出された改質ガスは、配管ａ７を介して燃料電池１０のアノードに供給される。アノードに供給された水素の一部は、カソードに供給された空気中の酸素と反応して発電が行われ、また、アノードで消費されなかった未反応（未消費）の水素が、水素オフガスとして燃料電池１０のアノードから配管ａ８に排出される。
【００４１】
また、燃料電池１０のアノードから排出された水素オフガスの全量は、燃焼器２２に直接に供給される（実線の矢印参照）。以下、燃料電池１０のアノードと燃焼器２２との間の構成について説明する。
【００４２】
すなわち、燃料電池１０のアノードの出口は、配管ａ８を介して燃焼器２２と接続されている。また、熱交換器２６の冷媒入口は、配管ｂ１、流量調整弁３２、配管ｂ２を介してブロア３１と接続されている。また、熱交換器２６の冷媒出口は、配管ｂ５を介して配管ａ８と接続されている。また、配管ａ８と配管ｂ２とは、配管ｂ３、流量調整弁３３および配管ｂ４を介して接続されている。なお、配管ａ８と配管ｂ５とが接続される合流部は、配管ａ８と配管ｂ３とが接続される分岐部よりも下流側に位置している。
【００４３】
ブロア３１（空気供給手段）は、燃焼器２２に酸化剤ガスとして空気（燃焼用空気）を供給するものであり、例えば、制御部１００によって空気の流量が制御され、燃料電池１０の出力に応じて制御される。燃料電池１０の出力は、例えば、燃料電池１０から取り出される電流値を図示しない電流センサによって検出することで判断できる。例えば、燃料電池１０の出力が増加した場合には、ブロア３１から供給される空気の流量が増加するようになっている。流量調整弁３２は、熱交換器２６に導入される冷媒の流量を調整する弁であり、流量調整弁３３は、熱交換器２６を通さずに燃焼器２２で必要な空気量を調整する弁であり、それぞれの開度が制御部１００によって制御される。
【００４４】
なお、制御部１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどで構成され、ＣＯ選択酸化器２７に供給される前の改質ガスの温度Ｔに応じて、流量調整弁３２を制御するようになっている。また、温度センサ１０１は、ＣＯ選択酸化器２７に供給される前の改質ガスの温度Ｔを検出するものである。
【００４５】
次に、第１実施形態の燃料電池システム１Ａの動作について説明する。図１に示す燃料電池システム１Ａでは、燃料電池１０のアノードから排出される水素オフガスの全量が、熱交換器２６をバイパスするバイパス流路Ｌ１を含む配管ａ８を通って燃焼器２２に供給される。また、制御部１００によって、流量調整弁３２が所望の開度（熱交換器２６を冷却するのに必要な流量となるような開度）に調整されるとともに流量調整弁３３が閉じられた状態で、ブロア３１が駆動されることにより、外気を吸引するブロア３１から燃焼器２２に供給される前の空気（酸化剤ガス、燃焼用空気）が冷媒として配管ｂ２，ｂ１を通って熱交換器２６に供給される。そして、ブロア３１からの空気が熱交換器２６において改質ガスとの間で熱交換（改質ガスが冷却）される。そして、熱交換器２６から排出された空気は、配管ｂ５を通って、配管ａ８において水素オフガスと混合された後に燃焼器２２に供給される。なお、本実施形態では、配管ｂ１，ｂ２が冷媒導入流路に相当する。
【００４６】
また、燃料電池システム１Ａでは、空気の量が熱交換器２６を通って燃焼器２２に供給されるものだけでは不足する場合には、ブロア３１からの空気を増量し、さらに流量調整弁３３を所望の開度に開弁した状態で、ブロア３１からの空気を配管ｂ２，ｂ４，ｂ３，ａ８の経路も使って燃焼器２２に供給する。
【００４７】
なお、熱交換器２６に冷媒を供給する必要がない場合には、制御部１００によって流量調整弁３２が閉じられ、流量調整弁３３が開かれることで、ブロア３１からの空気の全量が、配管ｂ２，ｂ４，ｂ３，ａ８を介して燃焼器２２に供給される。
【００４８】
ところで、燃料電池１０の出力を上昇させる指令が発せられて、改質ガスの流量が増えると、熱交換器２６で改質ガスを冷却する能力を上昇させる必要が生じるが、前記したように、ブロア３１から、燃焼器２２に供給される前の空気を熱交換器２６に導入することで、改質器２３の負荷変動に対して追従性よくＣＯ選択酸化器２７に導入される改質ガスの温度Ｔをコントロールできるようになり、ＣＯ選択酸化器２７から排出される改質ガスのＣＯ濃度を常に低く保つことができる。
【００４９】
また、第１実施形態では、ＣＯ選択酸化器２７に導入される改質ガスの温度Ｔを温度センサ１０１によって検出し、検出された温度Ｔに基づいて流量調整弁３２の開度を制御して冷媒の流量を調整するので、温度Ｔのコントロールをより適切（高精度）に、つまり温度ＴがＣＯ選択酸化器２７の触媒活性温度（触媒活性領域）を維持できるように、行うことが可能になる。
【００５０】
また、第１実施形態では、熱交換器２６に燃焼器２２に供給する前の空気を通流させることにより、空気によって改質ガスの熱を回収することができ、回収した熱を後段に位置する燃焼器２２に供給して、蒸発器２１での原料ガスの昇温に利用できる。よって、燃焼器２２での燃焼効率を高めることができ、燃料電池システム１Ａ全体の効率を上げることができる。
【００５１】
また、第１実施形態では、発熱反応と吸熱反応とを組み合わせたオートサーマル方式の改質器２３を利用することにより、熱を無駄に使うことなく安定した改質を行うことができ、改質ガスを安定的に得ることができる。
【００５２】
また、逆に燃料電池１０の出力を低下させる指令が発せられた場合には、熱交換器２６で改質ガスを冷却する能力を低下させる必要が生じるが、この場合にも、燃料電池１０の出力低下の指令に応じてブロア３１からの空気の流量を減少させること、または流量調整弁３２の開度を絞る（閉弁）ことにより、迅速に冷却能力を低下させることができる。このように、負荷を低下させる負荷変動が生じた場合であっても、追従性よくＣＯ選択酸化器２７に導入される改質ガスの温度Ｔをコントロールできるようになり、ＣＯ選択酸化器２７から排出される改質ガスのＣＯ濃度を常に低く保つことできる。
【００５３】
（第２実施形態）
図２に示すように、第２実施形態の燃料電池システム１Ｂは、水素オフガスと空気（燃焼用空気）とを混合した混合ガスを冷媒として熱交換器２６に導入する構成である。なお、第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００５４】
すなわち、燃料電池１０のアノードの出口は、上流側から順に、配管ａ８、流量調整弁４３、配管ａ９を介して燃焼器２２と接続されている。また、熱交換器２６の冷媒入口は、配管ｂ１２，流量調整弁４２および配管ｂ１３を介して流量調整弁４３の上流側の配管ａ８と接続されている。また、熱交換器２６の冷媒出口は、ｂ１４を介して流量調整弁４３の下流側の配管ａ９と接続されている。また、配管ｂ１３が接続される分岐部よりも上流側の配管ａ８には、配管ｂ１１を介してブロア４１が接続されている。なお、本実施形態では、配管ｂ１２，ｂ１３が冷媒導入流路に相当し、符号Ｌ２で示す部分がバイパス流路に相当する。
【００５５】
このような燃料電池システム１Ｂでは、制御部１００によって流量調整弁４２が開かれた状態において、燃料電池１０のアノードから排出された水素オフガスと、ブロア４１から燃焼器２２に供給される前の空気（酸化剤ガス、燃焼用空気）とが混合された混合ガスが、配管ｂ１３，ｂ１２を介して熱交換器２６に供給され、改質ガスとの間で熱交換が行われる。熱交換された混合ガスは、配管ｂ１４，ａ９を介して燃焼器２２に供給される。
【００５６】
例えば、負荷が上昇する負荷変動が生じた場合において、熱交換器２６で必要とされる冷却能力が増えたときには、制御部１００によって流量調整弁４３を全閉にするとともに、流量調整弁４２を全開にすることで、水素オフガスとブロア４１からの空気との混合ガスの全量が熱交換器２６に供給され、熱交換器２６において混合ガスと改質ガスとの間で熱交換が行われる。なお、流量調整弁４２，４３の開度を適宜調整して、混合ガスの一部が熱交換器２６に供給され、残りがバイパス流路Ｌ２に供給されるようにしてもよい。
【００５７】
逆に、負荷が低下する負荷変動が生じた場合において、熱交換器２６で必要とされる冷却能力が低下したときには、制御部１００によって流量調整弁４２の開度が小さく設定され、流量調整弁４３の開度が大きく設定されることで、熱交換器２６に導入される冷媒の流量が低減される。これによって、熱交換器２６での冷却能力が低下する。また、熱交換器２６において改質ガスを冷却する必要がない場合には、制御部１００によって流量調整弁４２を全閉にし、流量調整弁４３を全開にすることで、混合ガスの全量が熱交換器２６をバイパスするバイパス流路Ｌ２を通って燃焼器２２に供給される。
【００５８】
このように、第２実施形態の燃料電池システム１Ｂによれば、水素オフガスと燃焼器２２に供給される前の空気との混合ガスを冷媒として熱交換器２６に導入することで、改質器２３の負荷変動に対してＣＯ選択酸化器２７に導入される改質ガスの温度Ｔを追従性よくコントロールできるようになり、ＣＯ選択酸化器２７から排出される改質ガスのＣＯ濃度を常に低く保つことできる。また、水素オフガスと空気とを混合した後に熱交換器２６に供給することで、熱交換器２６にさらに多くの流量の冷媒を供給することができる。よって、熱交換器２６で取り除きたい（回収可能な）熱量が多い場合の燃料電池システム１Ｂにおいて好適に使用することが可能になる。
【００５９】
また、第２実施形態では、ＣＯ選択酸化器２７に導入される改質ガスの温度Ｔを温度センサ１０１によって検出し、検出された温度Ｔに基づいて流量調整弁４２，４３の開度を調整して冷媒の流量を制御するので、温度Ｔのコントロールをより適切（高精度）に行うことができる。また、熱交換器２６に水素オフガスおよび空気を通流させることにより、水素オフガスおよび空気によって改質ガスの熱が回収され、回収した熱を後段に位置する燃焼器２２に供給して、蒸発器２１での原料ガスの昇温に利用できる。
【００６０】
（第３実施形態）
図３に示すように、第３実施形態の燃料電池システム１Ｃは、複数のＣＯ選択酸化器（第１ＣＯ選択酸化器、第２ＣＯ選択酸化器）２７，２９を備え、それぞれのＣＯ選択酸化器２７，２９の前に熱交換器（第１熱交換器、第２熱交換器）２６，２８が設けられた構成である。なお、第１実施形態および第２実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００６１】
すなわち、熱交換器２８は、上流のＣＯ選択酸化器２７とは配管ａ１１を介して接続され、下流のＣＯ選択酸化器２９とは配管ａ１２を介して接続されている。ＣＯ選択酸化器２９は、ＣＯ選択酸化器２７で取り除ききれなかったＣＯを取り除くものであり、改質ガスの流量が多い燃料電池システムにおいて好適に使用される。また、温度センサ１０２は、ＣＯ選択酸化器２９に供給される前の改質ガスの温度Ｔを検出するものである。
【００６２】
また、流量調整弁５３，５４および配管ｂ２１，ｂ２２，ｂ２３による構成は、図２の燃料電池システム１Ｂでの流量調整弁４２，４３および配管ｂ１２〜ｂ１４による構成と同様である。また、ブロア５１、流量調整弁５２および配管ｂ２４，ｂ２５，ｂ２６，ｂ２７による構成は、図１の燃料電池システム１Ａでの流量調整弁３３を除くブロア３１、流量調整弁３２および配管ｂ１〜ｂ５による構成と同様である。なお、符号Ｌ３，Ｌ４で示す配管ａ８の一部がそれぞれ熱交換器２８，２６をバイパスするバイパス流路に相当し、また、配管ｂ２４，ｂ２５、および、配管ｂ２１，ｂ２２が冷媒導入流路に相当する。
【００６３】
このように構成された燃料電池システム１Ｃでは、燃料電池１０のアノードから排出された水素オフガスの全量が、配管ａ８のバイパス流路Ｌ３を通流する。また、制御部１００によって流量調整弁５２が所望の開度（熱交換器２８を冷却するのに必要な流量となる開度）に調整された状態でブロア５１が駆動されることにより、空気（冷媒）が配管ｂ２５，ｂ２４を通って熱交換器２８に供給される。ＣＯ選択酸化器２７から熱交換器２８に供給された改質ガスは、空気によって熱交換が行われ、熱交換が行われた空気は、配管ｂ２７を介して配管ｂ２２よりも上流の配管ａ８に排出される。
【００６４】
また、燃料電池システム１Ｃでは、空気の量が熱交換器２８を通って燃焼器２２に供給されるものだけでは不足する場合には、ブロア５１からの空気を増量して、ブロア５１からの空気の一部を配管ｂ２５，ｂ２６の経路も使って配管ａ８に供給して、水素オフガスと混合させる。
【００６５】
また、制御部１００によって流量調整弁５４を全閉にするとともに、流量調整弁５３を全開にすることにより、混合ガスが配管ｂ２２，ｂ２１を通って熱交換器２６に供給され、熱交換器２６において混合ガスと改質ガスとの間で熱交換が行われる。熱交換後の混合ガスは、配管ｂ２３を介して配管ａ９に排出され、燃焼器２２に供給される。また、流量調整弁５３，５４をそれぞれ所望の開度に調整して、配管ｂ２２の上流からの混合ガスの一部が熱交換器２６に供給され、残りがバイパス流路Ｌ４を通流するようにしてもよい。
【００６６】
また、燃料電池システム１Ｃでは、熱交換器２６を冷却する必要がない場合には、制御部１００によって流量調整弁５３を全閉にするとともに流量調整弁５４を開くことによって、混合ガスの全量が、熱交換器２６をバイパスするバイパス流路Ｌ４を通って燃焼器２２に供給される。
【００６７】
このような第３実施形態の燃料電池システム１Ｃは、改質ガス量が多い燃料電池システムに好適なものであり、前段のＣＯ選択酸化器２７で取り除ききれなかったＣＯ（一酸化炭素）を、次段のＣＯ選択酸化器２９で取り除くことができ、ＣＯ選択酸化器２９から排出されるＣＯ濃度を低く保つことができる。
【００６８】
また、第３実施形態では、水素オフガスや燃焼器２２に供給される前の空気を冷媒として熱交換器２６，２８に供給することで、改質器２３の負荷変動に対して追従性よくＣＯ選択酸化器２７，２９に導入される改質ガスの温度Ｔをコントロールできるようになり、改質ガスのＣＯ濃度を常に低く保つことができる。
【００６９】
また、第３実施形態では、ＣＯ選択酸化器２７，２９に導入される改質ガスの温度Ｔを温度センサ１０１，１０２によって検出し、検出された温度Ｔに基づいて流量調整弁５２，５３，５４の開度を調整するので、各温度Ｔのコントロールをより適切に（高精度）に行うことができる。また、熱交換器２６，２８に水素オフガスや空気を導入することにより、水素オフガスや空気によって改質ガスから熱が回収され、回収した熱を後段に位置する燃焼器２２に供給して、蒸発器２１での原料ガスの昇温に利用できる。
【００７０】
なお、燃料電池システム１Ｃでは、燃料電池システム１Ａと同様に、配管ｂ２６に流量調整弁（図示せず）を設けるようにしてもよい。また、燃料電池システム１Ｃでは、燃料電池システム１Ｂと同様に、ブロア５１をブロア４１と同様な位置に配置するとともに、バイパス流路Ｌ３に流量調整弁を配置して、水素オフガスと空気の混合ガスを、熱交換器２６，２８に導入するようにしてもよい。
【００７１】
本発明は、前記した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、燃料電池１０から排出される水素オフガス（燃料オフガス）のみを流量調整弁を介して熱交換器２６に導入して温度Ｔをコントロールしてもよい。
【００７２】
また、前記した実施形態では、流量調整弁３２，３３，４２，４３，５２，５３，５４を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、切替弁（ＯＮ／ＯＦＦ弁）により構成してもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１Ａ〜１Ｃ  燃料電池システム
１０    燃料電池
２２    燃焼器（加熱器）
２３    改質器
２６，２８  熱交換器（温度調整部）
２７，２９  ＣＯ選択酸化器
３１，４１，５１  ブロア
３２，３３，４２，４３，５２，５３，５４  流量調整弁
１００  制御部
１０１，１０２  温度センサ（温度検出手段）
Ｌ１〜Ｌ４  バイパス流路
【図１】
2010282909.tif 000003
【図２】
2010282909.tif 000004
【図３】
2010282909.tif 000005